瞬變電磁水平分量在采空區探測中的應用

徐 潔

（山西省地球物理化學勘查院，山西運城044004）

1 概述

近幾年，在煤礦安全生產中電法已發揮了較大作用，特別是瞬變電磁法，在煤礦采空區及其積水情況探測中有很好的效果，可以確保煤礦的安全生產，可為礦區帶來巨大的經濟效益和社會效益。

瞬變電磁法勘探有以下優點：①采用同點組合觀測，對異常響應較強，分辨能力較強；②低阻目標地質體在瞬變電磁法施工中的反應比較明顯；③施工效率較高，相對于其他物探方法來說，瞬變電磁法施工效率很高并且成本不是很高；④剖面測量工作和縱向的測深工作同時進行并且完成，可以形成視電阻率斷面圖，豐富解釋手段；⑤瞬變電磁法資料處理可以進行地形矯正，經過地形矯正后，可以消除地形影響。

在過去的很長一段時間，人們對瞬變電磁法的研究基本停留在計算出電磁場的相關量，但對資料的解釋還局限在單一分量上(以垂直分量為主)，已經無法滿足資料解釋精度的要求和目前的生產勘探需要，同時也造成巨大的信息浪費。但當前的瞬變電磁儀能夠實現三分量同時采集，因此，聯合水平分量，綜合垂直分量和水平分量進行處理與解釋，進一步提高解釋精度，在理論和實踐方面都將具有十分重要的意義。本文將結合應用實例對水平分量研究效果進行分析[2]。

2 基本理論

瞬變電磁法也稱為時間域電磁法，它的生產過程是先鋪設一個不接地回線，然后向不接地回線供電用來發射一次脈沖磁場，利用接收回線線圈觀測在供電間歇期的二次渦流場,上述就是瞬變電磁法的基本原理。

當供電電流斷開時，供電電流從最大值突然變為0，這時因為供電電流所產生的一次場會立刻消失變為0，但是感應二次場會根據導體和地質體的電性參數，而有一個瞬變的過程，感應的二次場不會直接變為0，這個過程的快慢與地質體的電性參數有關。地質體的導電性越好，感應渦流的熱耗損越小，它的瞬變過程則越長。這種感應渦流瞬變的過程，在地質體上方和下方空間形成相應的瞬變磁場，在脈沖電流關斷期間在觀測地下的瞬變二次磁場，根據地質體空間位置以及導電性能的不同，觀測到的二次磁場也不一樣，通過采集、分析及研究二次磁場的時空變化，進行正反演計算后，便可以得出地下地質體的擬視電阻率斷面形態，發現地質體異常，從而確定我們需要探測的目標體比如煤礦采空區、富水區等的位置和大小。

2.1 均勻大地瞬變電磁響應

2.1.1 均勻大地瞬變電磁響應過程

1979 年美國的科學家M.N.Nabighian 提出利用等效代替計算均勻大地的晚期瞬變電磁響應的計算方法。在發射回線中的供電電流突然斷電后，下半空間中為了維持磁場產生了感應電流，這一瞬間電流集中在發射回線線圈附近，并且按照r-4的規律衰減(r為發射回線線圈中心到測點的距離)。然后電流開始逐漸向下半空間深入擴散，在斷電后的任一晚期時間內，感應渦流呈多層環形。渦流場將隨著時間的延長向下及向外擴散，并變形為圓電流環，發射電流關閉后幾個不同時刻的電流環的示意圖如圖1所示。

圖1 半空間的等效渦流環

從圖1中可以看出，等效電流環就像是從發射回線線圈中吹出來的一個個“煙圈”，所以地下螺旋電流向下向外擴散的這個過程被成為“煙圈效應”。這些不同時刻的圓電流環反映了不同深度地層的感應電流，時間越久，所觀測到的有效深度就越深。其極大值將向從發射線圈中心起始與地面成30°傾角的錐形斜面向下傳播，該極大值在地面的投影半徑為：

整個環帶各渦流層的總效應就是感應渦流場在地表引起的磁場，它的等效電流為：

它的半徑a以及所在深度d的表達公式為：

式中：σ——均勻大地的導電率；

μ0——磁導率。

我們可以把所謂的“煙圈”認為是二次發送線圈，它在某觀測時刻的半徑、電流和深度可以根據公式（2）、（3）和（4）算出，便可以計算出在某時刻地面測點的響應值，以及響應值隨著時間變化的規律。

2.1.2 均勻大地上垂直磁源瞬變電磁場的計算方法

首先計算頻率域電磁場，然后對頻率電磁場做逆傅立葉變換再計算瞬變電磁場。表達式為：

式中：t——時間；

ω——角頻率。

2.2 導電球體在高阻圍巖中的表達式

假設在發射回線線圈的正下方，有一個電導率為σ，半徑為a，中心埋深為h的球體，它的瞬變電磁場的表達式為：

（1）重疊回線裝置下：

公式(9)中的R為發射回線線圈的半徑，當使用方形回線時，取τ為確定V(t)衰減速度的特征參數，被稱為時間常數，對于球體為：

（2）中心回線裝置下：

式中：r——接收探頭線圈的半徑。

從以上公式可見在t?τ的晚期條件下，V(t)按公式后半部分進行計算，前半部分可以舍去，所以V(t)照指數規律衰減。在早期和中期的條件下，V(t)的響應的計算要用到公式前半部分的參數和后半部分的參數，它是很多指標衰減參數的總和。

3 應用實例

下列圖件是利用瞬變電磁法在某礦區進行采空區探測的應用實例。如下SX1 線、SX2 線是為了對比分析采空區瞬變電磁響應特征所設計的試驗線。圖2 為TEM 垂直分量視電阻率圖，圖3 為TEM 水平分量多測道圖。

SX1、SX2 線垂直某煤礦一主井巷道上方，兩線相距25m。根據已有資料，4 號煤埋深100m 左右，9 號煤埋深在150m 左右。井口位置在150 點處，在兩條線的145、160 點處地表發現裂縫，圖中斜線網格代表地裂縫，網格部分代表推斷采空位置。

從圖 2 上可以看到，在 SX12 線 150～155 點，埋深約120m 處，由4 號煤層底板等高線圖可知此深度為4號煤賦存位置，視電阻率橫向上有變化，呈現相對低阻異常，視電阻率等值線形態表現為略向下彎曲，推斷為采空區。推斷采空位置（圖中網格部分）與實際調查地裂縫位置對應較好。SX13 線在其附近的位置也出現了低阻異常，等值線曲線形態同樣向下彎曲。與SX12線視電阻率異常有很好的對應關系，可以證明采空區的可靠性。

由于瞬變電磁二次場隨著時間的衰減在高阻層衰減較快,在低阻層衰減較慢，因此在高阻層得到的二次場電壓值小，在低阻層得到的二次場電壓值大。對應在剖面圖上看到的就是低值響應部分是高阻層，高值響應部分是低阻層。在多測道電阻率剖面圖上,不僅能看到各測點垂直方向電性變化情況，還能看到不同深度沿水平方向上的電性變化情況。

從圖3 SX1、SX2 線TEM 水平分量多測道圖可以發現，對應垂直分量視電阻率斷面圖出現高阻異常的點位，水平分量數值變低，與垂直分量斷面圖對應關系較好。這說明TEM 水平分量對采空區探測也具有較高的分辨率，是調查煤層采空區較好的一種勘探方法。

圖2 SX1、SX2線TEM垂直分量視電阻率斷面圖

4 結束語

本文介紹了瞬變電磁水平分量在采空區探測中的應用效果，并與垂直分量視電阻率斷面圖效果進行了簡單對比，結果證明瞬變電磁水平分量對采空區探測也具有良好的效果。由于水平分量在橫向上具有更高的分辨率，因而對采空區的推斷更具準確性。因此，瞬變電磁水平分量在采空區探測中能夠起到良好的效果。

圖3 SX1、SX2線TEM 水平分量多測道圖